魯32井地下流體觀測數據動態(tài)變化分析

林 眉 盧忠斌

（中國濟南250014山東省地震局）

魯32井地下流體觀測數據動態(tài)變化分析

林 眉 盧忠斌

（中國濟南250014山東省地震局）

魯32井水位原始曲線難以判定地震前該井含水層系統的應力狀態(tài)是否發(fā)生變化，采用類似Nakai擬合模型，計算水位觀測數據體應變固體潮響應振幅因子比，結果表明，膠東半島及海域發(fā)生的ML≥3.9地震前均出現高值異常。與地震活動參數對比分析，發(fā)現魯32井200 km范圍內ML≥3.9地震前，水溫觀測數據動態(tài)變化幅度及頻度明顯較高。

魯32井；振幅因子比；地下流體；水溫異常

0 引言

地下流體研究工作是地震預報分析的一項重要內容（張國民等，2001），地下流體異常能夠提供許多地質構造活動過程的前兆信息，并以不同方式和特點反映出來（繆阿麗等，2014）。崔居全等（2014）總結了榮城魯32井水溫正常及自然環(huán)境干擾形態(tài)特征，探究該井水溫異常變化特征，通過對該井中等地震及遠場大震與水溫異常時段對比分析，認為魯32井水溫存在附加地熱場異常變化的構造條件，可作為近場中等地震前兆異常和遠場大震前兆異常中短期判別指標之一，但是崔居全等未對水位觀測數據展開分析。因包含各種背景變化、周期變化等較大幅度的干擾信息，觀測井水位原始觀測數據不能有效識別并提取地震前兆異常，觀測井水位對地殼固體潮體應變振幅因子響應比方法可以克服此弊端。本文利用該井水位固體潮觀測資料，采用該振幅因子響應比方法，初步判斷地殼應變狀態(tài)，結合水溫觀測數據，跟蹤對比分析地下流體異常，解釋地下水溫變化，進一步認識魯32井構造條件。

1 觀測井概況

魯32井位于山東省榮成市成山鎮(zhèn)松埠嘴村，地處海西頭—俚島斷裂東側，觀測井含水層為花崗巖裂隙水，井孔現有深度94 m，2007年11月采用SZW-1A 型數字水溫儀進行觀測，探頭投放深度為89.75 m；采用LN-3A數字水位儀進行數字化水位觀測，探頭投放深度為7.111 m。榮成地震臺作為中韓合作項目臺站，儀器運維環(huán)境良好，魯32井水位、水溫觀測數據連續(xù)可靠，觀測資料質量較高。魯32井水溫、水位長趨勢日值曲線見圖1。

圖1　魯32井水位、水溫長趨勢日值曲線Fig.1 Long trend daily value curve of water level and water temperature for Lu No.32 well

2 水位動態(tài)曲線特征

2.1 原始曲線動態(tài)

選取2014年4月至2015年6月魯32井水位觀測數據，與同期當地降雨量進行對比，見圖2。由圖2可見，觀測井水位呈夏高冬低的年變規(guī)律，主要受降雨影響，降雨量大，水位數據動態(tài)曲線上升，然后逐漸恢復平穩(wěn)。水位原始曲線難以判定地震前觀測井所處含水層系統的應力狀態(tài)是否發(fā)生變化。

圖2　魯32井水位、降雨量對比Fig.2 Water level and rainfall comparison chart of Lu No.32 well

2.2 水位固體潮加卸載響應比方法

張昭棟等（1997）證明深井水位的潮汐現象是對地固體潮的響應，論證了應用地下水位潮汐來計算固體潮加卸載響應比的可行性，結合典型地震實例計算，分析認為震前響應振幅因子比值有增大變化。因此，可以利用井水位對地殼固體潮體應變響應的振幅因子比，初步判斷地殼應變狀態(tài)。蘭雙雙等（2011）認為，正常狀態(tài)下井水位固體潮加卸載響應比背景值低且平穩(wěn)，以“1”為均值線上下波動；當孕震系統處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，響應比異常變化多表現為計算值偏高或出現大幅突跳、連續(xù)突跳現象。

采用典型的水平層狀承壓含水層模型，假設含水層除井口外封閉良好，在不排水條件下，根據孔隙彈性介質理論，作用于含水層某一平面上的荷載分別由固體顆粒與顆粒間的孔隙流體共同承擔，由此推導井水位變化與體應變之間的關系，即

式中，dh為含水層水頭變化，θ為含水層體應變量，ρ為水的密度，g為重力加速度，n為含水層介質孔隙度，Em為含水層巖石固體顆粒體積模量，EW為水體積模量。當井—含水層系統上述參數不變時，井水位變化與應變成正比。含水層介質的應變是固體潮應力和區(qū)域構造應力共同作用的結果。

其中，ε為含水層介質的應變，E（t）為介質的楊氏模量，σt為潮汐應力，σs為構造應力。E（t）隨應力在巖石的應力應變示意曲線的區(qū)域不同而不同，在井水位對固體潮的響應方面，表現為井水位體應變系數的變化。所以，近震源區(qū)的承壓井水位有可能觀測到震前非線性失穩(wěn)變化，表現為體應變固體潮周期性壓縮與拉張過程中水位響應振幅因子比的異常變化，即水位固體潮的加卸載響應比

其中，Δ H為固體潮變化引起的承壓井水位變化幅度的觀測值，Δ θ為體應變固體潮理論變化值，角標“+”表示壓縮響應階段，“-”表示拉張響應階段。在實際工作中，地下水位固體潮觀測值對體應變固體潮響應的振幅因子比可由近似Nakai擬合模型獲得

式中，Hθ（t）為地下水位實際觀測值，a為擬合潮汐因子，R（t）為t時刻體應變理論固體潮，β為與潮汐觀測的位相滯后有關的系數，K0、K1、K2分別為非潮汐常數（儀器零漂）、速度和加速度相關系數，利用最小二乘法可計算式中各參數值（張昭棟等，1997）。

3 水溫動態(tài)曲線特征

魯32井水溫在降水量較大時動態(tài)曲線出現明顯變化，正常水位變化影響較?。▓D3）。2014年1月觀測井水溫數據曲線出現動態(tài)上升、下降的趨勢變化，經現場核實，未發(fā)現干擾源；2月在相同觀測層位安裝相同型號的SZW-1A儀進行對比觀測，未發(fā)現儀器異常［圖3（a）］；2014年10月底水溫動態(tài)曲線出現大幅上揚，11月中旬迅速下降，上下起伏較大，且數據形態(tài)類似，異常持續(xù)至12月31日后趨于下降；2015年1月水溫動態(tài)上升、下降幅度變大，頻率較高，持續(xù)至2015年6月，見圖3。2015年1月檢查魯32井水溫觀測系統工作狀態(tài)，并調查環(huán)境干擾，均未發(fā)現明顯干擾。

圖3　魯32井水溫對比（a）對比觀測水溫儀曲線；（b）原有水溫儀曲線；（c）降雨量Fig.3 Water temperature comparison chart of Lu No.32 wel

4 水位、水溫動態(tài)異常與地震活動分析

2014年4月至2015年6月30日，山東及附近海域ML≥3.5地震均發(fā)生在膠東半島及海域（墾利ML3.0、ML3.2地震），見表1。地震均在魯32井200 km范圍內，主要集中在乳山地區(qū)，形成乳山震群，最大地震為乳山ML5.0地震，該井位距乳山最近的流體觀測井，井震距小于100 km。

表1　2014年9月—2015年6月魯32井周邊ML≥3.5地震參數Table 1 Parameters of the ML≥3.5 earthquakes occurred around Lu No.32 well

4.1 水位振幅因子響應比分析

在計算分析中，可選取N=24，48，…，60，…，120，…（即以1，2，…，5，…，10，任意天數為一組），用最小二乘法解式（4）計算地下水位的加卸載響應比（萬永芳等，2004）。本文取N=24（一天24小時整點值數據為1組），對魯32井地下水位固體潮觀測數據進行振幅響應比值計算；選取超過1倍均方差的響應比值作為異常判定指標，計算結果正常值基本在1上下波動（圖4），只有個別點超過1倍均方差控制線。分析異常與2014年4月以來膠東半島及海域ML≥3.9地震（表1）活動的對應關系。

從圖4振幅因子響應比值可以看出，2014年9月14日乳山ML4.1地震前，魯32井出現3次上下波動超過1倍均方差的高值，最高值40.23。2015年5月22日乳山ML5.0地震魯32井出現3次上下波動超過1倍均方差的高值，最高值12.89。2015年6月1日黃海ML3.9地震前出現一次較大的向下波動，超過1倍均方差，最高值-40.12。

分析認為，2014年9月之前的出現頻次較多高值表明榮成32井附近地區(qū)處于應力集中狀態(tài)，9月14日ML4.1地震后，該地區(qū)的應力積累具有一定的緩解作用，故而9月份以后振幅因子比趨于正常背景值附近平穩(wěn)變化，直到11月初應力積累再次達到一定水平，比值又出現高值變化，但相較于4.1級地震之前振幅因子比值有所減弱；2014年11月到2015年4月，魯32井水位對體應變固體潮響應的振幅因子比出現頻次較高的同步高值，2015年5月22日發(fā)生乳山ML5.0地震之后又出現一次超過1倍均方差的高值表明此時區(qū)域應力較強，并且中小震集中發(fā)生；構造上乳山與榮成地區(qū)屬于魯東一黃海地塊，榮成32井觀測井所處蓬萊一威海構造帶末端，板塊運動產生的區(qū)域北西西向擠壓應力和渤海上地幔隆起及其產生的構造應力聯合作用，控制著渤海及周圍地區(qū)的斷裂和地震活動（崔居全，2014）。

圖4　魯32井振幅因子響應比Fig.4 Calculating result of loading/un1oading response ratio of groundwater lever

4.2 水溫異常變化分析

自2014年10月，魯32井水溫觀測數據出現不明原因的上升、下降趨勢異常（圖5）；同時32井附近地區(qū)中小地震活躍，通過水溫同層對比觀測，排除儀器故障、人為干擾及降雨等因素影響。

圖5　2015年3月魯32井水溫異常曲線Fig.5 Water temperature anomaly of Lu No.32 well in March，2015

2015年1月—6月魯32井水溫地震異常觀測曲線見圖6，5月22日乳山ML5.0地震前1個月水溫出現下降，幅度≥0.03℃，震前兩天再次出現下降，幅度≥0.003℃，震后水溫觀測數據轉平，29日出現明顯下降，幅度≥0.018℃，6月1日發(fā)生黃海ML3.9地震，6月9日發(fā)生乳山ML3.7地震，震前水溫振幅出現趨勢下降，幅度≥0.003℃。

圖6　魯32井水溫整點值動態(tài)曲線Fig.6 Water temperature observation curve at Lu No.32 well

對于區(qū)域構造200 km范圍內ML≥3.9地震發(fā)生前，魯32井水溫觀測數據動態(tài)變化幅度和頻度明顯高于井水溫正常動態(tài)。自2014年4月至乳山地區(qū)先后發(fā)生40余次ML≥2.5地震（地震序列目前仍在發(fā)展），地震活動呈現小震群特征，且與魯32井水溫動態(tài)變化時間基本一致。表明地下水溫變化在某種程度上是構造應力作用的客觀反映（丁留偉，2013）。

綜上所述，2014年9月到2015年6月，魯32井水位體應變固體潮振幅響應因子比以大于1倍均方差上下波動，并出現7次高值；井水位對體應變固體潮振幅因子比的變化是對地殼含水介質應力變化的反映，地震前由于應力積累，振幅因子比將出現高值變化。

5 結論

（1）以2014年9月以來膠東半島及海域發(fā)生的ML≥3.9地震為樣本，將相關參數分別與魯32井水位固體潮觀測井地震前后振幅因子響應比計算結果進行對比，發(fā)現魯32井對區(qū)域構造200 km范圍內ML≥3.9地震發(fā)生2—3月前水位振幅因子響應比值具有明顯高值異常反應，證明井水位固體潮振幅因子響應比值方法是一種識別并提取地震前兆的有效方法。

（2）通過對魯32井水溫同層觀測、相同觀測儀器的動態(tài)曲線和降雨量對比分析，排除各種干擾信息，說明該井水溫觀測系統反映靈敏，運行正常，觀測數據內在質量良好，可以記錄到異常變化。而2014年10月底水溫動態(tài)曲線大幅上揚不明原因事件，懷疑存在干擾源，需積累數據資料進一步研究。

崔居全，杜桂林，等.榮城32井水溫動態(tài)變化及異常分析［J］.華北地震科學，2014，32（4）：34-38.

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蘭雙雙，遲寶明.汶川地震前地下水位固體潮加卸載響應比異常分析［J］.地震研究，2011，34（3）：110-116

萬永芳，劉特培.地下水位固體潮加卸載響應比分析及預測意義［J］.華南地震，2004，24（1）：28-34.

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張國民，傅征樣，桂燮泰.地震預報引論［M］.北京：科學出版社，2001.

張昭棟，陳學忠，陳建民.井水位固體潮加卸載響應比的地震短臨前兆［J］.地震學報，1997，19（2）：174-180.

Abstract

It is difficult to determine the well aquifer system stress state changes using the original curve of water level recorded before earthquakes at Lu No.32 well.We adopted fitting model similar to the Nakai to calculate loading and unloading response ratio（LURR） of water level.The results show that，LURR increases anomalously before ML≥3.9 earthquake in Jiaodong Peninsula.Though the comparative analysis of Lu No.32 well water temperature and seismic activity parameter，It is found that，within a range of 200 km of ML≥3.9 earthquake，the magnitude and frequency of changes in water temperature before the earthquake is significantly higher.

Dynamic change analysis of underground fluid for Lu No.32 well

Lin Mei and Lu Zhongbin
（Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，China）

Lu No.32 well，1oading/unloading response ratio，underground fluid，water temperature anomaly

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.008

林眉（1981—），女，碩士學歷，工程師，從事地震前兆監(jiān)測工作。E-mail：88520389@qq.com

山東省自然基金項目（ZR2012DQ006）、山東省合同制項目（15Y109）聯合資助